一、前言：
       
    由于激光具有高亮度、高方向性、高單色性、高相干性等奇異特性，能在材料加工中帶來(lái)其它加 工方法所不具備的許多特點(diǎn)，如：無(wú)接觸加工、無(wú)切削加工、無(wú)刀具磨損加工、高能量密度超極速加工、局部熱變形量小加工以及與數(shù)控系統(tǒng)極易配合的靈活加工。 所以激光技術(shù)被列入20世紀(jì)原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)的四大發(fā)明之一。
       
    為此我國(guó)政府于80年代中、90年代初在 武漢華中科技大學(xué)成立了國(guó)家激光技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（研究激光與物質(zhì)作用的理論）和國(guó)家激光加工工程中心（研究激光加工的應(yīng)用），并在這兩個(gè)源頭的牽引下，催 生了“中國(guó)光谷”，“中國(guó)光谷”在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的導(dǎo)向下，短短的數(shù)年創(chuàng)造了幾十項(xiàng)激光技術(shù)領(lǐng)域的第一乃至世界第一。
       
    大功率CO₂激光毛化技術(shù)與設(shè)備就是其一，屬于有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際領(lǐng)先技術(shù)，該技術(shù)不僅能完成高質(zhì)量的激光毛化形貌，還具備激光淬火的特殊功能，能使軋輥的壽命提高一倍以上，其綜合經(jīng)濟(jì)效益能給使用者年內(nèi)收回投資及帶來(lái)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

    二、CO₂激光毛化機(jī)理
       
    激光毛化技術(shù)與設(shè)備是我國(guó)“八五”國(guó)家科技（攻關(guān)）計(jì)劃項(xiàng)目，91年啟動(dòng)，96年在武鋼投產(chǎn)，取得了一定的成效。限于80年代末、90年代初各項(xiàng)單元技術(shù)條件的限制，作為國(guó)內(nèi)重點(diǎn)科研課題研制的第一臺(tái)CO₂激 光毛化機(jī)床存在一些問(wèn)題在所難免，現(xiàn)在雖暫時(shí)停產(chǎn)，但應(yīng)該看到該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)際毛化領(lǐng)域中所具有的前瞻性和市場(chǎng)前景。目前在華中科技大學(xué)華工激光公司的實(shí)施 下，已有昆明鋼鐵公司、濟(jì)南鋼鐵公司、唐山建龍鋼鐵公司、重慶鋼鐵公司采用了該項(xiàng)技術(shù)與裝備，并獲得了新的知識(shí)產(chǎn)權(quán)專(zhuān)利。

    1）CO₂激光毛化機(jī)理（具有毛化、硬化功能）

    如圖1所示：毛化加工時(shí)斬光盤(pán)2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，軋輥1順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，激光束3通過(guò)聚焦鏡4照射到前齒的后齒面，反射到后齒的前齒面，再入射到軋輥表面Q點(diǎn)，其入射面積小于0.5mm²，其功率密度為104～105W/cm²，使輥面金屬材料組織迅速發(fā)生相變(溫度在溶點(diǎn)以下)。

    如圖2所示：在相變硬化區(qū)內(nèi)形成馬氏體、碳化物、殘余奧氏體等，并由于其加工升溫速度和冷卻速度極快10

秒， 致使相變硬化區(qū)內(nèi)所獲得各種組成項(xiàng)都極為細(xì)小并產(chǎn)生大量的錯(cuò)位，這些對(duì)提高輥面硬度、耐磨性都是十分有利的，使得激光相變后的輥面組織具有比常規(guī)淬火更為 優(yōu)異的耐磨性，同時(shí)為下一步的激光溶凝造型的毛化做了預(yù)熱。                                     

    如圖3所示：當(dāng)斬光盤(pán)2的前齒和后齒移動(dòng)到圖示位置，激光束3通過(guò)前、后齒間的透孔直接聚焦入射到軋輥1的輥表面Q’點(diǎn)，其入射面積為0.02mm

，其功率密度在107W/cm

以 上,使輥面金屬材料迅速溶化成溶池，溶池內(nèi)的溶解物在側(cè)吹氣體5及離心力作用下按一定的方向堆積到溶池邊沿并通過(guò)極速冷凝形成有序的硬度極高的凹坑與凸 臺(tái)，完成毛化加工。給定方向、流量、壓力的側(cè)吹氣體5除了完成造型任務(wù)，還有三種功能：1.避免軋輥表面在熱加工過(guò)程中與空氣中的氧發(fā)生作用，產(chǎn)生脫碳現(xiàn) 象影響凸臺(tái)強(qiáng)度。2.避免在溶化凝固硬化過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺物對(duì)鏡片造成傷害。3.避免在激光溶化過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)量等離子體形成屏蔽對(duì)激光入射的影響。

    2）CO

激光毛化工藝

激光毛化輥面

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    根 據(jù)冷軋板軋制工藝要求及后續(xù)加工工藝要求：如普板、家電板、汽車(chē)板、防偽板、退火、深沖、超深沖、鍍鋅、彩涂等選定輥面粗糙度值、密度值、平坦度值的工藝 指標(biāo)，以及粗糙度復(fù)印率、衰減率的工藝指標(biāo)（在實(shí)際生產(chǎn)中，這兩項(xiàng)指標(biāo)對(duì)使用者十分重要），決定工藝指標(biāo)的主要工藝參數(shù)是激光器使用功率、激光脈沖頻率、 掃描速度、光斑直徑、聚焦距離。其中使用功率越大，粗糙度值（Ra）越大，功率值連續(xù)自動(dòng)可調(diào)控；脈沖頻率由斬光盤(pán)轉(zhuǎn)速與斬光盤(pán)齒數(shù)確定，一般為 20KHZ左右，即每秒可造2萬(wàn)個(gè)點(diǎn)的毛化形貌；即脈沖頻率越高，密度值（峰值數(shù)PC）越高。掃描速度由軋輥轉(zhuǎn)速，輥面直徑及毛化裝置移動(dòng)速度確定，一般 為6.5米/秒，降低掃描速度可提高Ra與PC值；光斑直徑與焦距由外光路確定。這些變量均可由840D數(shù)控系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)及專(zhuān)用工藝軟件來(lái)精確執(zhí)行，操 作人員只需負(fù)責(zé)吊裝、輸入選定的粗糙度值、密度值、平坦度值即可，十分方便。由于所有工藝參數(shù)均能精確控制，所以CO

激光毛化能再現(xiàn)所需的加工過(guò)程和結(jié)果，這一點(diǎn)對(duì)總結(jié)毛化效果、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品十分有利（第一代的噴丸、第二代的電火花均有不能明顯硬化和再現(xiàn)功能的缺陷）。

    三、電火花毛化機(jī)理

    電火化毛化技術(shù)的專(zhuān)用設(shè)備，目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的生產(chǎn)廠(chǎng)家，多數(shù)鋼企只是認(rèn)為其形貌的均勻性、保持性比噴丸毛化好,并且由于從眾、從外的心理誘導(dǎo)，所以 大多引進(jìn)了國(guó)外的電火花毛化設(shè)備。應(yīng)該說(shuō)電火花毛化技術(shù)是在40年代的電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)上誕生的，這比激光加工技術(shù)要落后幾十年。我們不應(yīng)該走引進(jìn)落 后再引進(jìn)的老路，更何況性?xún)r(jià)比相差兩倍以上。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

    我國(guó)是在50年代初開(kāi)始研究和應(yīng)用電火花加工技術(shù)的，主要用于模具成型和線(xiàn)切割加工。我國(guó)政府在冶金行業(yè)毛化設(shè)備的問(wèn)題上敢為人先，高端進(jìn)入，拋開(kāi)電火花毛化設(shè)備的跟進(jìn)研制，直接在武鋼投入“大型CO

激光毛化設(shè)備與工藝”國(guó)家重點(diǎn)科研項(xiàng)目無(wú)疑是正確的導(dǎo)向。

    1）電火花毛化機(jī)理

    電火花是一種自激放電，其特點(diǎn)是放電前兩個(gè)電極間具有較高的電壓，當(dāng)兩電極接通時(shí)，其間隙中的電解液被擊穿后，即發(fā)生瞬間的火花放電，伴隨擊穿過(guò)程，兩電極之間的電阻迅速變小，電壓迅速降低。

圖5

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    1. 軋輥      2. 電解液 

    3. 電極      4. 毛化頭

    5. 高壓電火  6. 低壓電火

    7. 選擇電流  8. 機(jī)械脈沖 

    如圖5所示:軋輥1被毛化的部分與電極3均浸泡在電解液2內(nèi)，其間的間隙距離為0.1mm左右，軋輥為零線(xiàn)接地作低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速通常為8rpm左右， 電極3裝在毛化頭4上作水平直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。電回路包括一個(gè)高電壓回路5和一個(gè)低電壓回路6。當(dāng)電解液2被擊穿時(shí)，高電壓回路的低電流提供初始脈沖。凹坑與針狀 尖峰的毛化是低電壓脈沖通過(guò)電極對(duì)軋輥表面金屬材料產(chǎn)生的電火花放電產(chǎn)生的。電流的大小是通過(guò)選擇一個(gè)或者多個(gè)電阻組合完成，其脈沖頻率是通過(guò)調(diào)節(jié)振蕩器 的輸出來(lái)設(shè)定。電流的大小和電火花持續(xù)的時(shí)間決定了軋輥表面凹坑、尖峰的大小、數(shù)量和形狀，（當(dāng)然在軋輥被毛化的同時(shí)，電極也會(huì)被更快的毛化，屬易損 件）。

    由于受電火花加工技術(shù)本身的限制，不能形成抗擠壓能力很強(qiáng)的丘狀凸臺(tái)。由于針狀尖峰衰減很快，軋輥表面毛化的形貌保持性較差，初期磨損階段磨損速度很快， 正常期磨損階段耐磨性一般。為了延長(zhǎng)軋輥的使用壽命許多鋼企采用了電火花毛化加鍍硬鉻工藝，即在電火花毛化的輥面上機(jī)械結(jié)合硬度更高的鍍鉻層。但由于鍍鉻 會(huì)產(chǎn)生波谷填充影響毛化效果，更重要的是由于機(jī)械結(jié)合在復(fù)雜的軋制中易出現(xiàn)鍍鉻層局部脫落，所以舉步維艱。圖5所示毛化頭4由一個(gè)伺服軸和十幾個(gè)獨(dú)立電極 3組成，一臺(tái)電火花毛化機(jī)床一般有幾個(gè)毛化頭。

    2）電火花毛化工藝